第六节
电动汽车用轮毂电机

轮毂电机技术又称为车轮内装式电机技术，是一种将电机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置技术。从各种驱动技术的特点和发展趋势来看，采用轮毂电机技术是电动汽车的最终驱动形式。轮毂电机可采用永磁无刷、直流无刷、开关磁阻等电机类型。由于电机处于车轮轮毂内，受体积限制，要求电机为扁形结构，即电机短而粗。

一、轮毂电机的结构及特点

1.轮毂电机的结构

轮毂电机驱动系统根据电机的转子形式主要分成两种：内转子式和外转子式。内转子式轮毂电机采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，电机的转速通常高达10000r/min。外转子式轮毂电机则采用低速外转子电机，无减速装置，电机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电机相同，电机的最高转速在1000～1500r/min之间，如图2-40所示。

内转子式的轮毂电机具有比功率较高、质量轻、体积小、噪声小、成本低等优点；其缺点是必须采用减速装置，使效率降低，非簧载质量增大，电机的最高转速受到线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。外转子式轮毂电机的优点是结构简单、轴向尺寸小，能在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度快，没有减速机构，因而效率高；其缺点是要获得较大的转矩，必须增大电机的体积和质量（成本高）。这两种结构在目前的电动汽车中都有应用，但是随着紧凑的行星齿轮变速机构的出现，高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。

2.轮毂电机的特点

轮毂电机技术的优点如下：

1）更方便的底盘布置，更灵活的供电系统。由于采用了电动轮驱动的形式，汽车底盘的布置将更加灵活。省去机械传动系统之后，汽车车厢具有更大空间，底盘的设计也就具有更大的通用性。同时，电动汽车的电源供电系统也更加灵活，无论是采用燃料电池、超级电容、蓄电池，或者是它们的组合形式，都将更加灵活而不受限制，动力传动形式也由原来的机械硬连接变为只需要电缆进行供电的软连接形式。

2）更好的汽车底盘主动控制性能。在采用轮毂电机驱动形式的电动汽车中，汽车的电动轮是可以独立控制的，汽车底盘的主动控制通过对驱动电机的控制实现。电机的控制响应快、精度高，并且每个驱动轮由各自的控制器控制，可以实现底盘主动控制的功能，如果能在四轮中均采用轮毂电机，可以实现最理想的控制效果。

3）最优的驱动力分配。由于驱动轮（2个或者4个）的驱动力是可以单独调节的，所以通过分析各轮的转矩利用效率，可选择最经济的驱动方式。

轮毂电机技术的不足之处如下：

1）轮毂电机增大了非簧载质量，会对整车的操控产生一定的不利影响。

2）虽然电子制动可以实现能量回收，但是其制动能力有限，所以仍需要有液压制动系统。

二、轮毂电机的驱动方式

轮毂电机可分为减速驱动和直接驱动两种驱动方式。

1.减速驱动方式

采用减速驱动方式，电机一般在高速下运行，选用高速内转子式电机。减速机构放置在电机和车轮之间，起到减速和增加转矩的作用。减速驱动具有如下优点：电机运行在高速下，具有较高的效率，转矩大，爬坡性能好，能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩；不足之处是：难以实现液态润滑、齿轮磨损严重、使用寿命短、不易散热、噪声大。减速驱动方式适合于丘陵或山区，以及要求过载能力大和城区客车等需要频繁起动/驻车等场合。

2.直接驱动方式

采用直接驱动方式时，多采用外转子式电机。为了使汽车能顺利起步，要求电机在低速时能提供大的转矩。直接驱动的优点有：不需要减速机构，使得整个驱动结构更加简单、紧凑，轴向尺寸较小，而且效率也进一步提高，响应速度较快；其缺点是：起步、爬坡以及承载较大载荷时需要大电流，易损坏电池，电机效率峰值区域小。直接驱动方式适合平路或负荷较小的场合。

三、轮毂电机在电动汽车中的应用

轮毂电机技术并非新生事物，早在1900年，保时捷就首先制造了前轮装备轮毂电机的电动汽车，在20世纪70年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应用。对于车用的轮毂电机技术，日系厂商研究较早，也推出了一些电动汽车车型，如本田FCX concept（图2-41）、三菱COLT（图2-42）等。目前国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术，如奇瑞瑞麟X1增程式电动汽车就采用了轮毂电机技术。

轮毂电机驱动形式的优势比较明显，高质量的电动轮毂产品及电动轮毂汽车控制系统的研发已经是国际电气和汽车工程界研究的重要方向。轮毂电机也有自己的不足并存在一些问题，比如密封、起步电流和起动转矩的平衡关系，以及转向时驱动轮的差速问题等，如果能在工程上解决这些难题，轮毂电机驱动技术将在未来的电动汽车中拥有广泛的前景。

四、案例 ： 轮毂驱动式电动汽车行驶中突然动力下降

【 故障现象 】 有一辆科研用轮毂驱动式电动汽车，在行驶中突然动力下降，无法提供足够动力来满足急加速、爬坡等大负荷工况需要。

【 故障诊断 】 用举升机举起车辆后，变速杆置于前进档和倒档踩加速踏板加速时均发现该车两个后电动轮中的右后轮不转动，只有左后轮转动，所以初步判定是右后电动轮动力系统故障。电动汽车驱动系统一般由控制器（变频器）和电机组成，该车有两个独立的控制器分别控制两个后驱动轮毂。因为左后轮能够正常驱动，所以控制左后电机的控制器是正常的。接着采用替换法用左后电机控制器控制右后电机，结果发现故障现象依旧，故障范围进一步缩小到右后轮毂电机本身。起动开关转到OFF，转动两个后驱动轮，发现左侧的阻滞力很小，右侧的阻滞力很大，很用力才能使之转动，这说明右后轮电机定子线圈形成了回路，由于控制器没有问题，所以只能是电机定子线圈线束短路引起的。

用万用表欧姆档测量电机定子3组线圈引出线3个端子两两之间的电阻值，3根引出线的颜色分别为黄、绿、蓝，黄绿色两个端子间和绿蓝色两个端子间的电阻值为0.4Ω，黄蓝色两个端子间的电阻值接近0，初步判断是黄蓝色线束短路。仔细检查右后轮毂电机线束，发现线束外圈绝缘保护套有过热熔化痕迹，于是剖开绝缘套，发现3组线圈的连接线和霍尔传感器线束在某些部位熔在了一起，如图2-43所示。因为怀疑电机内部线束也有问题，所以将轮毂电机拆下并分解。打开后发现线圈连接线在电机内部的部分也有烧蚀现象，定子线圈本身无烧蚀现象，如图2-44所示。

【 故障分析 】 由于该轮毂电机采用的是直流无刷电机，电机定子由3组线圈星形联结而成，稀土永磁材料做成的磁块粘贴在电机转子内圈上，由3组霍尔传感器检测转子磁场变换并将信号送往控制器，控制器根据轮速信号及加速踏板信号控制送往电机定子3组线圈的电流大小和方向，电机带动车轮旋转。如果在制动能量回收时，车轮反拖电机旋转，永磁铁产生的磁场随之旋转并在定子线圈中产生感应电动势，此时电动机则变成了发电机。正常情况下，关闭起动开关时，控制器停止工作，星形联结的定子线圈处于断路状态。因为电机定子线圈处于断路状态，即产生的感应电动势不能形成回路，定子线圈中没有感应电流，没有感应电流就不能形成反转矩，所以此时转动驱动轮的阻滞力应该是很小的。

本车长时间工作，电机供电线由于布线问题导致散热不良，引起绝缘层熔化，致使供电线短路。由于电机定子线圈线束存在短路现象，控制器为了保护自身及电机，停止向右后电机供电。

【 故障排除 】 将烧蚀线束分开又重新包裹好后，重新测量电机定子3组线圈引出线3个端子两两之间的电阻值，黄蓝色2个端子、黄绿色2个端子和绿蓝色2个端子间的电阻值均为0.4Ω，3个端子与铁心之间不导通，说明3组线圈绝缘良好，定子线圈线路短路故障排除。 aEWry01tK0JeEGKSEafWZuzcuDWpmh7WidngpcA1aVdhbDBAqCc1+wuZHzgXE5v5